提高電火花加工表面質(zhì)量的研究*

白 羽 趙亞軍

(長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春130012)

由于電火花加工可以加工難切削的材料，并且可以加工出特殊以及復(fù)雜形狀的零件。因此，電火花加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、電子、儀器、輕工業(yè)等部門。但是由于加工過程工藝參數(shù)較多，各工藝參數(shù)之間存在一定的影響，常常會帶來一些工藝問題，直接影響加工的質(zhì)量與效率。因此，對影響加工表面質(zhì)量因素的分析具有重要的意義。

1 電火花加工表面質(zhì)量分析

電火花加工表面質(zhì)量主要包括表面粗糙度、表面變質(zhì)層和表面力學(xué)性能［1］。電火花加工表面主要由無數(shù)個(gè)無方向性的小坑和硬凸邊所組成，其表面粗糙度的計(jì)算與機(jī)械加工一樣，采用微觀輪廓平面度的平均算術(shù)偏差值Ra表示。由于電火花加工去除材料靠的是工具和工件之間由于放電產(chǎn)生的高溫，在消電離階段，由于工作液的迅速冷卻，使得工件表面層發(fā)生很大的變化。在表面變質(zhì)層中又分為熔融凝固層、熱影響層、微觀裂紋3 個(gè)層次，如圖1。

表面力學(xué)性能主要為顯微硬度、殘余應(yīng)力、耐疲勞性能等項(xiàng)指標(biāo)。大量實(shí)驗(yàn)研究證明:在電火花加工后，工件的顯微硬度和耐磨性都有所提高，不同的材料，提高的程度也有所不同。由于電火花加工過程中，工件表面經(jīng)歷瞬時(shí)的先膨脹后收縮的作用，使工件表面形成殘余應(yīng)力［2］，殘余應(yīng)力大部分為拉應(yīng)力，在外表層中會出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力。由于殘余應(yīng)力和可能存在的微觀裂紋的作用，電火花加工后的工件的耐疲勞性會大大降低，因此需要采取一定的熱處理，消除這一不利的影響。

2 電參數(shù)對表面粗糙度的影響

電火花加工主要靠工具電極與工件之間的脈沖性放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高熱去除材料的。去除材料形成的放電痕跡主要由脈沖能量決定［3］。而單個(gè)脈沖放電所釋放的能量取決于極間放電電壓、放電電流和放電持續(xù)時(shí)間(即脈沖寬度)，其計(jì)算公式為:

式中:WM為脈沖能量，J;u(t)為放電間隙電壓，V;i(t)為放電間隙電流，A;te為脈沖寬度，μs。

因此，影響電火花加工表面粗糙度的電參數(shù)主要有峰值電壓、峰值電流和脈沖寬度。由于在一定的加工條件下，峰值電壓變化不大，通常取定值，所以，表面粗糙度主要取決于峰值電流和脈沖寬度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，以銅為工具電極，鋼為工件時(shí)，可得到表面粗糙度與峰值電流和脈沖寬度的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:Ra為表面粗糙度，μm;KR為常數(shù)，KR=2.3;te為脈沖寬度，μs;ie為峰值電流，A。

2.1 峰值電流對表面粗糙度的影響

在脈沖寬度一定時(shí)，隨著峰值電流增加，單個(gè)脈沖能量也增加，使表面粗糙度值增大，如圖2。因此，為獲得較小的表面粗糙度值，應(yīng)盡量減小峰值電流值。

2.2 脈沖寬度對表面粗糙度的影響

當(dāng)峰值電流一定時(shí)，脈沖寬度大，單個(gè)脈沖能量大，放電腐蝕產(chǎn)生的放電痕跡大而深，表面粗糙度變差，如圖3。因此，在峰值電流一定時(shí)，通常選取較小的脈沖寬度，來獲得較好的表面粗糙度。

3 工具電極對表面粗糙度的影響

3.1 工具電極材料和表面粗糙度

在電火花加工過程中，工具電極的材料不同，電極的性能不同，在加工過程中電極的損耗不同，對工件表面粗糙度的影響也不同。材料質(zhì)量差、組織不均勻、含雜質(zhì)的電極會使加工出來的工件表面粗糙度值大，達(dá)不到加工的要求。通常，在粗加工規(guī)準(zhǔn)中，脈沖寬度較大，此時(shí)紫銅電極比石墨電極的加工表面粗糙度好。在精加工規(guī)準(zhǔn)中，脈沖寬度小，石墨電極加工表面粗糙度較好。電火花成型加工是將電極的表面復(fù)制到工件表面，電極表面粗糙度會直接影響加工表面的粗糙度，特別在精加工時(shí)，工具電極通常都要進(jìn)行拋光處理。

3.2 加工極性的影響

在脈沖放電過程中，正、負(fù)電極表面分別受到負(fù)電子和正離子的轟擊，因此兩極表面分配的能量不同。由于電子的質(zhì)量和慣性較小，在放電初始階段，就能獲得較大的速度和初速度，轟擊正極表面，使電極材料迅速熔化和氣化。然而，正離子的質(zhì)量和慣性較大，隨著放電時(shí)間的持續(xù)，其獲得的能量較大，對負(fù)極表面的轟擊作用強(qiáng)。因此，在脈沖寬度較小時(shí)，應(yīng)選擇正極性加工;在脈沖寬度較大時(shí)，應(yīng)選擇負(fù)極性加工。一般來說，正極性加工的表面粗糙度要比負(fù)極性加工的表面粗糙度好，精加工時(shí)為了獲得較好的表面質(zhì)量都選擇正極性加工。

4 加工面積的影響

實(shí)驗(yàn)研究表明:在其他加工條件相同的情況下，加工面積不同，表面粗糙度相差很大。當(dāng)加工面積較大時(shí)，即使很小的脈沖能量，加工工件的表面粗糙度值也很難小于0.32 μm，而且隨著加工面積的增大，表面粗糙度變差。這是因?yàn)樵诩庸み^程中，工具電極和工件相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極。根據(jù)平行板電容計(jì)算公式［4］:

式中:C為電容器的電容;εr為相對介電常數(shù);S為電容器面積;δ 為電容器極板之間的距離。

由式(3)可知，隨著加工面積的增大，電火花加工中寄生電容增大，即電火花加工兩極板的儲能作用增強(qiáng)，在電規(guī)準(zhǔn)較小的情況下，電能被此電容“吸收”。此時(shí)，只能起到“充電”作用而不會引起火花放電。往往積累多次脈沖才能產(chǎn)生一次放電，這使得加工出的放電凹坑較大，表面粗糙度值變大。

“混粉加工”新工藝的出現(xiàn)解決了這一問題，采用“混粉”加工技術(shù)，可以在較大的面積上加工出粗糙度值為0.05～0.1 μm 的光亮面?；旆奂庸ぞ褪窃诠ぷ饕褐谢烊胍欢康墓杌蜾X等導(dǎo)電粉末，使工作液的電阻率降低，潛布電容減小。同時(shí)將放電通道分割成許多小的放電通道，使放電能量大大細(xì)化，可以得到較小的表面粗糙度值［5］。普通加工與混粉加工極間電場分布圖如圖4 所示。

5 電蝕產(chǎn)物對表面粗糙度的影響

隨著加工的進(jìn)行，工具電極和工件之間的電蝕產(chǎn)物增多，過多的電蝕產(chǎn)物如果來不及從極間排除、擴(kuò)散出去，這不僅會使油液變臟、粘度變大，不利于帶走電極與工件之間的電蝕產(chǎn)物，而且會改變間隙介質(zhì)的成分，降低其絕緣強(qiáng)度，使工具和工件之間的二次放電次數(shù)增多，影響極間放電狀態(tài)。使放電點(diǎn)集中在某一部位，破壞消電離過程，影響放電穩(wěn)定性。這樣，脈沖性火花放電將惡性循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)橛泻Φ姆€(wěn)定電弧放電狀態(tài)，同時(shí)工作液局部高溫分解后可能形成積碳現(xiàn)象，在該處聚集成焦粒，這都會燒傷工具電極和工件表面，使表面粗糙度值增大。另外，電蝕產(chǎn)物排出不充分還容易引起短路現(xiàn)象，降低加工速度，長時(shí)間的短路作用使電路中電流增大，影響脈沖電源的壽命。為了解決這一問題，需要經(jīng)常過濾及清潔工作液，加強(qiáng)過濾循環(huán)［6］，要人工清理工作液中的積存炭黑和金屬微粒。在加工過程中，為了強(qiáng)化電蝕產(chǎn)物的排出，還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓ぷ饕貉h(huán)。工作液循環(huán)方式可分為沖油式和抽油式兩種形式［7］。沖油或抽油方式如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，沖油方式排屑能力強(qiáng)，能使電蝕產(chǎn)物完全從極間排出。但是，在排屑過程中，電蝕產(chǎn)物會通過已加工區(qū)，會引起工具和工件之間的“二次放電”，從而破壞加工表面，降低表面質(zhì)量。采用抽油方式，電蝕產(chǎn)物從待加工表面排出，雖然不會影響已加工表面的質(zhì)量。但是，排屑不充分，而且加工過程分解出的可燃?xì)怏w容易積聚在抽油回路的死角處，引起“放炮”現(xiàn)象。這不僅會引起安全性隱患，而且也會加劇電極的損耗，使電極形成錐度，影響加工的精度。因此，通常選擇沖油方式強(qiáng)化電蝕產(chǎn)物的排出。

沖油方式的選擇，引起了另一個(gè)影響表面質(zhì)量因素的研究。如何避免電蝕產(chǎn)物從已加工區(qū)排出時(shí)引起的二次放電問題，成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。尤其是在微小孔電火花加工中，工具電極與工件之間放電間隙非常小，引起二次放電的概率非常大，即使加工過程中能得到很好的表面質(zhì)量，在電蝕產(chǎn)物排出的過程中也會被破壞。為了解決這一問題，日本學(xué)者在電極表面鍍上一層薄薄的絕緣層。這種介質(zhì)在加工過程中氣化，附著在已加工工件表面，使工具電極和加工表面都被絕緣介質(zhì)覆蓋，這樣就不會由于“二次放電”對已加工表面再次加工，破壞其表面質(zhì)量。在工件加工完后，對工件進(jìn)行沖洗，就會去除附著在加工表面的絕緣介質(zhì)。目前這種介質(zhì)的成分尚且不清楚，還有待材料領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)一步深入研究。關(guān)于防止二次放電破壞已加工表面的方案的研究，也是保證加工表面質(zhì)量的必不可少的關(guān)鍵因素，對其研究有重要的研究價(jià)值。

6 結(jié)語

綜上所述，影響電火花加工表面質(zhì)量的因素很多，每個(gè)因素的解決方案都很簡單。但是，在加工過程中，要綜合考慮這些因素對加工質(zhì)量的影響以及各因素之間的相互影響，對其進(jìn)行系統(tǒng)的分析和科學(xué)的分配，最終找到最優(yōu)的參數(shù)控制與分配，從而提高表面質(zhì)量，降低表面粗糙度。

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